物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)環(huán)境下的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 挺,杜向黨,郭玉嘉,惠亞光,馬 靖

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安國(guó)糧機(jī)械設(shè)備有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

微信已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡膽?yīng)用軟件，給人們的生活增加了很多便利性。隨著工業(yè)4.0概念[1]的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)信息化已經(jīng)慢慢在向物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[2]信息化轉(zhuǎn)型，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)使傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備更加智能化、安全化、高效化。將手機(jī)微信的便利性與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相結(jié)合，將會(huì)是未來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要方向之一。

本文將手機(jī)微信客戶(hù)端和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)將云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)通過(guò)G781-DTU與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，手機(jī)通過(guò)微信客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。實(shí)際運(yùn)行效果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低、實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)將具有感知、監(jiān)控能力的各類(lèi)傳感器和控制器，以及移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)融入到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的工廠(chǎng)信息化到云端遠(yuǎn)程信息化的跨越，能夠更高效地進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控管理，生產(chǎn)資源調(diào)度，從而大幅提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化工業(yè)[4]的新階段。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)總體框架

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)由綜合識(shí)別與感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物聯(lián)服務(wù)層和應(yīng)用層這四個(gè)部分組成。綜合識(shí)別與感知層功能，通過(guò)傳感器、變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過(guò)WiFi、4G或LoRa實(shí)現(xiàn)設(shè)備和云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)服務(wù)層為云平臺(tái)，是應(yīng)用層和設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互和存儲(chǔ)的平臺(tái)。應(yīng)用層使用手機(jī)或計(jì)算機(jī)訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與綜合識(shí)別感知層的數(shù)據(jù)交互。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)總體框架Fig.1 The overall framework of the Internet of Things cloud platform

1.2 云平臺(tái)組態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布方式

云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)平臺(tái)，要設(shè)計(jì)合理的工業(yè)組態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布方式，才能提高工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的效率和可靠性。

1.2.1 Web網(wǎng)頁(yè)發(fā)布方式

傳統(tǒng)的工業(yè)組態(tài)軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能是通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)發(fā)布的方式實(shí)現(xiàn)的。先將設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，再通過(guò)特定網(wǎng)址訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器，以達(dá)到設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和動(dòng)態(tài)顯示的目的。這種方式軟件開(kāi)發(fā)工作量較大，成本也較高。

1.2.2 基于專(zhuān)業(yè)云平臺(tái)數(shù)據(jù)發(fā)布方式

為了降低開(kāi)發(fā)難度，提高開(kāi)發(fā)效率，出現(xiàn)了具有組態(tài)功能的面向物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)——透?jìng)髟破脚_(tái)。

透?jìng)髟剖橇憔幊炭焖賹?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，不僅具備存儲(chǔ)、計(jì)算、開(kāi)放的優(yōu)點(diǎn)，而且具有云服務(wù)器組態(tài)功能，可以有效降低用戶(hù)開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。

本系統(tǒng)選擇透?jìng)髟破脚_(tái)進(jìn)行組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享。

2 手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架與組成

手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層、數(shù)據(jù)傳輸層、物聯(lián)層和手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶(hù)層組成。

系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架Fig.2 System overall framework

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層包括傳感器、機(jī)械設(shè)備、S7-200 PLC和計(jì)算機(jī)等。S7-200 PLC的作用是采集各種傳感器的數(shù)據(jù)以及對(duì)設(shè)備的控制[5]。計(jì)算機(jī)的作用為：一是作為現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互界面的顯示；二是作為OPC服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)PLC與G781-DTU的間接通信。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層由G781-DTU組成，作為PLC與透?jìng)髟品?wù)器之間數(shù)據(jù)交互的橋梁。

2.1.3 物聯(lián)層

物聯(lián)層由透?jìng)髟品?wù)器組成，其作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與手機(jī)微信客戶(hù)端之間的數(shù)據(jù)交互平臺(tái)以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)。

2.1.4 手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶(hù)層

手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶(hù)層由手機(jī)微信客戶(hù)端組成，其作用是實(shí)現(xiàn)手機(jī)微信客戶(hù)端與透?jìng)髟品?wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信框架Fig.3 System communication framework

系統(tǒng)通信框架包括底層設(shè)備層、驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議轉(zhuǎn)換層和網(wǎng)絡(luò)層。

2.2.1 底層設(shè)備層

底層設(shè)備層是S7-200 PLC與計(jì)算機(jī)之間的S7通信協(xié)議。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層包括PC機(jī)與S7-200 PLC之間的通信驅(qū)動(dòng)Siemens TCP/IP Ethernet和計(jì)算機(jī)與G781-DTU之間的通信驅(qū)動(dòng)Modbus slave Serial。

2.2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換層

協(xié)議轉(zhuǎn)換層是G781-DTU[6]與透?jìng)髟品?wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸Modbus RTU協(xié)議到Modbus TCP協(xié)議[7]的轉(zhuǎn)換。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是手機(jī)微信通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與透?jìng)髟品?wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件由現(xiàn)場(chǎng)控制軟件、透?jìng)髟平M態(tài)軟件和手機(jī)客戶(hù)端軟件組成。

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制軟件

現(xiàn)場(chǎng)控制軟件包括PLC控制軟件和計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件?，F(xiàn)場(chǎng)控制軟件采用Step7-Micro/WIN開(kāi)發(fā)；用Intouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組態(tài)畫(huà)面，顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及工藝參數(shù)；Kep Server軟件作為OPC服務(wù)器[8]實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC與G781-DTU間接的數(shù)據(jù)交互。

2.3.2 透?jìng)髟平M態(tài)軟件

透?jìng)髟平M態(tài)軟件采用透?jìng)髟乒芾硐到y(tǒng)網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)，使用云組態(tài)編輯器，設(shè)計(jì)手機(jī)微信客戶(hù)端組態(tài)畫(huà)面并顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)。

2.3.3 手機(jī)客戶(hù)端軟件

手機(jī)客戶(hù)端軟件為微信平臺(tái)，手機(jī)微信客戶(hù)端通過(guò)透?jìng)髟乒娞?hào)實(shí)現(xiàn)與透?jìng)髟品?wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。

3 透?jìng)髟葡到y(tǒng)配置及軟件開(kāi)發(fā)

3.1 G781-DTU配置

G781-DTU配置有兩個(gè)作用：一是通過(guò)配置串口實(shí)現(xiàn)G781-DTU與計(jì)算機(jī)通信，二是通過(guò)配置注冊(cè)包實(shí)現(xiàn)G781-DTU與透?jìng)髟品?wù)器通信。

3.2 透?jìng)髟品?wù)器配置

透?jìng)髟品?wù)器的配置包括添加數(shù)據(jù)點(diǎn)和添加設(shè)備。

3.2.1 添加數(shù)據(jù)點(diǎn)

添加數(shù)據(jù)點(diǎn)的作用是使透?jìng)髟品?wù)器的變量地址和PLC變量地址相對(duì)應(yīng)。其起始地址按照Mod bus功能碼對(duì)應(yīng)的寄存器起始地址填寫(xiě)。Modbus功能碼對(duì)應(yīng)的寄存器起始地址如表1所示。

表1 Modbus功能碼對(duì)應(yīng)寄存器起始地址Tab.1 Modbus function code corresponding to the register start address

數(shù)據(jù)點(diǎn)添加如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)點(diǎn)添加示意圖Fig.4 Diagram of data point addition

3.2.2 添加設(shè)備

添加設(shè)備的作用是使透?jìng)髟品?wù)器和特定的G781-DTU通信。配置設(shè)備添加包括設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)置通信密碼、通信協(xié)議和采樣頻率。添加設(shè)備配置如圖5所示。

圖5 添加設(shè)備配置示意圖Fig.5 Diagram of add device configuration

3.3 透?jìng)髟品?wù)器組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)

透?jìng)髟品?wù)器提供云組態(tài)編輯器。通過(guò)組態(tài)編輯器設(shè)計(jì)手機(jī)微信客戶(hù)端組態(tài)畫(huà)面，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，變量關(guān)聯(lián)便捷，即只需要選擇數(shù)據(jù)模板和數(shù)據(jù)點(diǎn)即可。

3.4 手機(jī)微信客戶(hù)端配置

手機(jī)微信客戶(hù)端的配置是為了實(shí)現(xiàn)手機(jī)微信客戶(hù)端與透?jìng)髟品?wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。手機(jī)微信客戶(hù)端適用于所有手機(jī)系統(tǒng)如IOS、Android[9]等，其配置過(guò)程如下。首先手機(jī)微信客戶(hù)端關(guān)注透?jìng)髟品?wù)器公眾號(hào)，然后進(jìn)入公眾號(hào)，登錄用戶(hù)名和密碼，就實(shí)現(xiàn)了兩者之間的數(shù)據(jù)交互。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)硬件開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)、透?jìng)髟品?wù)器配置、G781-DTU配置和手機(jī)微信客戶(hù)端的配置后，就實(shí)現(xiàn)了在手機(jī)微信客戶(hù)端遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的功能。

5 結(jié)論

本文介紹了一套基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)開(kāi)發(fā)的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了云技術(shù)、Internet技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。設(shè)備已經(jīng)投入生產(chǎn)，運(yùn)行效果良好。運(yùn)行驗(yàn)證了該系統(tǒng)不僅具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和成本低廉的特點(diǎn)，而且具有隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)微信客戶(hù)端監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與手機(jī)微信的結(jié)合也將是未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。